混合供能无线传感器网络的生命周期优化研究

摘要

无线传感器网络是集成了传感器技术、分布式技术与通信技术的新一代传感器网络，它的应用与发展将会给人类的生产生活方面带来深远的影响。延长网络的生命周期对提高无线传感器网络的实用性有重要意义。能量回收技术与路由算法的研究一直都是网络生命周期优化的重要研究方向。 基于混合供能的环境能量回收技术是一种有效的网络生命周期优化方法，虽然它能够延长网络生命周期，但也存在以下问题：混合供能无线传感器网络供电受环境因素影响大，采集效率不高；混合供能无线传感器网络存在节点采集能量不均的问题，采集能量少的节点提前死亡会缩短网络生命周期。本文针对这些问题做了以下工作： 为了解决混合供能无线传感器网络采集效率不高的问题，本文以桥梁监测系统为应用背景提出了一种太阳能压电能混合供能系统来为无线传感器网络供电。该混合供能系统针对压电能功率小且不连续的特点设计了一种可以实现小功率能量采集的压电采集模块；采用逐步逼近法实现了太阳能最大功率传输跟踪算法提高了太阳能采集模块能量采集效率。混合供能系统的设计提高了无线传感器网络供能系统的环境适应能力，延长了网络的生命周期。 为了解决混合供能无线传感器网络能量采集不均的问题，本文提出了一种分布式的能耗均衡无线传感器网络分层路由算法，可以防止采集能量少的节点因能耗过大而提前死亡。 1）该算法针对簇间能耗不均衡的问题提出了基于最佳簇数的非均匀分簇路由算法，可以使网络的分簇数达到最优，提高能量高的节点当选簇首的概率，使距离基站近的簇数量多且簇内节点数目少，从而解决距离基站近的簇首使用率高而更快死亡的问题。 2）针对簇内能耗不均衡的问题提出了基于粒子群蚁群融合算法的簇内节点多跳路由算法，计算出一条最短路由路径，使节点只需按最短路径与下一节点通信，将数据融合后传送给后一个节点，从而解决了簇首能耗负担过大的问题。仿真结果表明，该算法可以使混合供能无线传感器网络能耗分布均衡，防止采集能力少的节点提前死亡，延长了网络的生命周期。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 混合供能无线传感器网络技术的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 混合供能WSN生命周期研究

2.1 无线传感器网络概况

2.2 混合供能无线传感器网络概况

2.3 混合供能WSN能耗分析

2.4 混合供能WSN生命周期问题分析

2.5 本章小结

第3章 混合供能无线传感器节点能效优化设计

3.1 混合供能无线传感器节点硬件结构

3.2 节点混合供能系统能效优化设计

3.3 混合供能系统实验与研究

3.4 本章小结

第4章 混合供能WSN能耗均衡路由算法研究

4.1 混合供能WSN的路由算法研究分析

4.2 混合供能WSN系统模型建立

4.3 混合供能WSN能耗均衡路由算法(UCOCH-NRPA)研究

4.4 本章小结

第5章 混合供能WSN能耗均衡路由算法仿真实验

5.1 UCOCH算法仿真与分析

5.2 NRPA算法仿真与分析

5.3 基于UCOCH-NRPA算法的混合供能WSN模型仿真

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文与参加的科研项目